problemas de evacuación de aire durante la maniobra de compensación de...

1. INTRODUCCIÓN

1.1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓNLa presa de la Viñuela está situada sobre el río Guaro alnorte de la ciudad de Vélez Málaga, es una presa de mate-riales sueltos, coronada a la cota 235. La finalidad principalde la presa es abastecimiento y regadío.

Los desagües de fondo de la presa están situados en eltúnel que durante la obra sirvió de desvío del río. La presacuenta con dos desagües de fondo, formados por sendas tu-

berías de 1,60 m. de diámetro cada uno, y una longitud deunos 550 m.

La obra de toma de dichos desagües de fondo consta deuna torre coronada a la cota 169; a continuación hay untramo de túnel de unos 57 m. de largo, al final del cual, sedispone un tapón que forma el abocinamiento de las embo-caduras de las conducciones, que terminan en sendos con-ductos rectangulares de 1,60 m. de alto por 1,25 m. de an-cho. Tras un tramo de unos 60 m. en los que se sucedendiferentes cambios en la geometría de la sección de los con-ductos se accede a la cámara de válvulas nº1, en la que sealojan dos compuertas U.S.Bureau en cada conducto. La dis-tancia entre los ejes de las compuertas es de 1,80 m. Dispo-nen de un by-pass de tres bocas de tubo Φ200 mm, una ven-tosa entre las compuertas y una aducción de aire aguas

Problemas de evacuación de aire durantela maniobra de compensación de

presiones para la apertura del desagüede fondo de la presa de la Viñuela

DAVID LÓPEZ GÓMEZ (*), JUAN ANTONIO RODRÍGUEZ ARRIBAS (**), CRISTÓBAL MATEOS IGUÁCEL (*)

THE VIÑUELA DAM. AIR EVACUATION PROBLEMS DURING THE PRESSURE COMPENSATIONPROCESS TO OPEN THE GATE BOTTOMABSTRACT This paper reports the works developed to find the solution to a important operation problem in the outletbottom of the Viñuela Dam. This structure includes two 430 m length pipes. There are two Bureau (USBR) valves, in eachpipe, with a by-pass and aeration pipe after the second Bureau. At the end of each pipe there is a Howell-Bunger valve. Aftera minor accident, the by-pass loss head device was broken since when, during the equilibration operation prior to openingthe second Bureau valve of the left duct, there have been problems eliminating air between this valve and the Howell-Bunger; in consequence, a significant amount of water is ejected through the top of the 80 m. high aeration pipe, with avertical velocity so large that water hits the ceiling of the intake tower. After a field test, an explanation for the phenomenonwas found. There have been developed some mathematical model. The agreement between the mathematical model and theprototype was excellent. A physical model was constructed better know the phenomenon and also for testing the changesthat will avoid accidents in the future.

(*) Laboratorio de Hidráulica del CEDEX.(**) Confederación Hidrográfica del Sur.

RESUMEN En este artículo se presentan los trabajos realizados para detectar la causa y proponer soluciones a un impor-tante problema de operación del desagüe de fondo de la presa de la Viñuela. El desagüe consta de dos conductos de 430 m.de longitud. Dispone de dos válvulas U.S. Bureau en cada conducto con by-pass y aireación aguas abajo de la segunda ysendas válvulas Howell-Bunger a la salida. Tras la pérdida accidental del indicador de apertura de la segunda Bureau del desagüe izquierdo, comenzaron a producirseproblemas durante la maniobra de equilibrado de presiones, previa a la apertura de ésta válvula. Unos minutos despuésde la apertura del by-pass se producía una descarga de agua y aire por la salida del conducto de aireación unos 80 m. porencima de la válvula, con velocidad vertical tan alta que impacta violentamente con la cubierta de la torre de tomas. Trasuna serie de ensayos de campo se ha detectado la causa del problema. Se han desarrollado varios modelos matemáticospara su análisis y se ha ensayado en modelo físico para profundizar en el estudio del fenómeno y estudiar modificacionesque lo eviten.

29Ingeniería Civil 144/2006

Palabras clave: Desagüe de fondo, Accidentes, Flujos de aire-agua.

04.PRESAVIÑUELAS 11/1/07 14:52 Página 29

abajo de la segunda. El eje de los conductos del desagüe, enesta cámara, se encuentra a la cota 151,356. A continuaciónexiste un carrete de 3,30 m. de largo, de sección rectangulary una transición a sección circular de 1,60 m. de diámetro,de 3,00 m. de larga; las tuberías tienen una longitud aproxi-mada hasta la salida de 410 m. La pendiente media del con-ducto es de 4.15‰.

Desde la cámara se accede a la torre de tomas por la queascienden los conductos de aducción de aire. Estos conductosconstan de sendas rejillas de entrada situadas en la carcasade la segunda Bureau de cada conducto, por el lado de aguas

abajo, continúan con un carrete de Φ300 mm. y asciendenpor la torre de tomas ya con un diámetro Φ600 mm.

El desagüe de fondo se regula con dos válvulas Howell-Bunger de 1400 mm de diámetro, situadas a la salida decada conducto en la cámara de válvulas nº2. El máximo cau-dal evacuable por el desagüe es de unos 40 m3/s.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Realizando unas maniobras periódicas de descarga por eldesagüe de fondo, se partió el indicador de apertura de la

PROBLEMAS DE EVACUACIÓN DE AIRE DURANTE LA MANIOBRA DE COMPENSACIÓN DE PRESIONES PARA LA APERTURA DEL DESAGÜE DE FONDO DE LA PRESA DE LA VIÑUELA

30 Ingeniería Civil 144/2006

FIGURA 1. Presa de laViñuela. Vista de la

coronación de la presa desdeel estribo izquierdo. Se

aprecia el aliviadero desuperficie sobre la ladera

derecha y la torre de tomascon su puente de accesodesde la ladera derecha.

FIGURA 2. Esquema de lainstalación del desagüe defondo.




FIGURA 5. Vista del tubo de aducción de aire del desagüe de fondo izquierdo Φ600 mm dentro de la torre de tomas.

FIGURA 4. Tablero de la segunda compuerta Bureau del desagüe izquierdo. Imagen tomada desde aguas abajo desde el tramo de carrete rectangular. Seaprecia en la parte superior el orificio de salida del by-pass. Adjunto se presenta el detalle del orificio de salida del conducto del by-pass de Φ200 mm.

FIGURA 3. Cámara deválvulas nº1. Vista desdeaguas abajo de los conductosdel by-pass y de los testigosde elevación de las doscompuertas Bureau de cadaconducto del desagüe defondo, además de sendasventosas situadas entre lascompuertas Bureau de cadadesagüe.


compuerta Bureau de aguas arriba del desagüe de fondo iz-quierdo. Este indicador, además de marcar la posición de lacompuerta, tiene la misión de activar un dispositivo electró-nico que detiene la apertura de la compuerta cuando se al-canza la apertura de 1,60 m.

Al partirse el indicador se pierde la noción de la situaciónde la compuerta. Los técnicos decidieron elevar al máximo lacompuerta contando con de que el limitador de presión de lacompuerta la detendría al entrar éste en funcionamiento, yasí fue pero detenido el tablero de la compuerta a una cotasuperior a los 1,60 m.

La toma del by-pass se ubica en la propia carcasa de lacompuerta Bureau de modo que cuando el tablero de la com-puerta está elevado exactamente 1,60 m. la entrada al by-

pass queda parcialmente cerrada, y al realizar la maniobraanteriormente indicada se dejó completamente obstruida laentrada del by pass. Para liberarla se bajó la compuerta ma-nualmente, sin saber la elevación precisa en que quedaba eltablero.

Desde entonces, cuando se procede a equilibrar presio-nes aguas arriba y aguas abajo de la segunda compuertaBureau, a medida que se va llenando el desagüe de fondoaumentan las dificultades para evacuar el aire del desagüea través del conducto de aducción que acomete en el desa-güe de fondo a través de unas rejillas adosadas a la car-casa de la segunda compuerta Bureau aguas abajo de lamisma y aguas arriba de la acometida del by-pass. Unosminutos después de la apertura del by-pass se produce una



FIGURA 6. Presa de laViñuela. Vista desde el pie deaguas abajo. Se aprecia elaliviadero de superficie sobrela ladera derecha y la cámarade válvulas nº2 del desagüede fondo.

FIGURA 7. Vista del puente deacceso a la torre de tomas.


descarga de agua y aire por la salida del conducto de airea-ción unos 80 m. por encima de la válvula, con velocidadvertical tan alta que impacta violentamente con la cubiertade la torre de tomas.

Para poder detectar la causa de este fenómeno se decidióllevar a cabo ciertos ensayos bajo condiciones controladas si-tuando instrumental de medida en diferentes puntos de lainstalación.

3. INSTRUMENTAL DE MEDIDAPara analizar el fenómeno se han realizado diferentes medi-das y registros. Con este fin, se han instalado en la conduc-ción diversos equipos que se describen a continuación.

Para el registro de presiones durante los ensayos se hanempleado transmisores de presión ST18 de NUOVAFIMA dedos rangos diferentes unos de 0-10 bares y otros de 0-25 ba-res. Para situarlos en los puntos de interés hubo de practi-



FIGURA 8. Detalle de lainstalación del by-pass en elque se aprecia como la tomade agua se realiza desde lacarcasa de la compuertaBureau.

FIGURA 9. Transmisores de presión ST18 de NUOVAFIMA. Vista del captor ya situado en el conducto de aducción de aire del desagüe izquierdo y vistadesde el interior.

0,280 0,400 0,400 0,400 0,356 0,537 0,400

0,40

0

1,62

0

Ø

1

600

2,31

0

0,665

0,382 0,263

1,49

0

ADUCCIONDE AIRE

1,798

1,798

EL. 151,356

A VENTOSA

Ø 395


carse unas perforaciones en los conductos del desagüe defondo y conducto de aducción de aire y se soldaron unas tuer-cas de 1/2¨ de paso gas para enroscarlos. Fue necesario perfo-rar el hormigón que recubría la chapa del desagüe en diversospuntos. Los registros se almacenaron en un sistema de adqui-sición de datos denominado “Nicolet” con el que se obtuvieron2000 lecturas por segundo en cada uno de 12 canales en quese registró. La conexión con los captores al sistema de adqui-sición requirió tender más de 1/2 km. de cable. En la tabla 1 seindica la distribución de los captores por la instalación.

También se han realizado tomas de video dentro del de-sagüe de fondo con una cámara de video sumergible hastauna profundidad de 100 m. Para su alojamiento en el de-sagüe de fondo se soldaron unas sujeciones a las paredesdel mismo que permitían sostener la cámara y el foco enla posición deseada, además hubo que fabricar “adoc” unajunta de neopreno de 1,5 cm. de espesor para la boca dehombre con un orificio de 6 mm. que permitiese el paso delcable de la cámara de vídeo sin que se fugara el agua porla junta.



Númerodel captor Situación Cota

m.s.n.m

C2 En la torre de tomas en el conducto de aducción de aire del desagüe izquierdo. 215.00

C4 En la torre de tomas en el conducto de aducción de aire del desagüe izquierdo. 190.00

C5 En la cámara de válvulas nº1 en el conducto de aducción de aire del desagüe iz-quierdo (tramo horizontal) a media altura de la sección. 153.60

C6 En la cámara de válvulas nº1 en el conducto de aducción de aire del desagüe iz-quierdo (tramo horizontal) en la parte alta de la sección. 153.90

C7 En la cámara de válvulas nº1 en el by-pass del desagüe izquierdo entre las dosválvulas de aguas arriba. 154.60

C8 En la cámara de válvulas nº1 en el by-pass del desagüe izquierdo aguas abajode la válvula de aguas abajo. 154.60

C10En la cámara de válvulas nº1 en el propio conducto del desagüe de fondo iz-quierdo en la parte superior de la sección a unos 6 m. aguas abajo de la com-puerta Bureau.

152.16

C11En la cámara de válvulas nº1 en el propio conducto del desagüe de fondo iz-quierdo a media altura de la sección a unos 6 m. aguas abajo de la compuertaBureau.

151.36

C12Fuera de la cámara de válvulas nº2 en el propio conducto del desagüe de fondoizquierdo en la parte superior de la sección aguas arriba de la válvula HowellBunger.

150.58

C13 Fuera de la cámara de válvulas nº2 en el propio conducto del desagüe de fondoizquierdo a media altura de la sección aguas arriba de la válvula Howell Bunger. 149.78

FIGURA 10. Cámara de vídeo sumergible ubicada en el desagüe defondo situada ya en las sujeciones diseñadas para el ensayo.

FIGURA 11. Video reproductor portátil que permitía ver las imágenes quecaptaba la cámara sumergible durante los ensayos y grabarlas para suposterior análisis.

TABLA 1.


4. PLAN DE ENSAYOSEl objetivo de los ensayos fue determinar la causa del fenó-meno anteriormente descrito. La maniobra que se realiza enla instalación del desagüe de fondo izquierdo es la misma entodos los ensayos y consistió en:

• La Bureau de aguas arriba se mantiene siempreabierta en su posición inicial.

• La Bureau de aguas abajo se mantiene siempre cerrada.• La válvula de aguas arriba del by-pass se mantiene

siempre abierta pues la Bureau de aguas arriba lo está.• La válvula de aguas abajo del by-pass partiendo de cierre

total se abre completamente para permitir que entre elagua en el tracto de conducto comprendido entre las vál-vulas Howell-Bunger y la Bureau de aguas abajo.

• Antes de que se llene dicho tramo de conducto y poste-riormente al inicio de las anomalías en el conducto de

aducción de aire se cierra completamente la válvula deaguas abajo del by-pass.

• En algunos casos se procede al vaciado del desagüeabriendo la válvula Howell-Bunger.

5. ENSAYOS EN EL PROTOTIPOSe han realizado tres ensayos para detectar la causa del fe-nómeno.

En el primero sólo se pudo apreciar el funcionamiento delchorro del by-pass durante los primeros instantes antes deque el penacho generado tras el impacto contra el fondo deldesagüe impidiera la visión, sin embargo se pudo comprobarque el conducto del desagüe no estaba lleno cuando terminóel ensayo. En el registro de presiones se puede apreciarcomo la presión absoluta en el interior del depósito alcanzó1.6 bares sin que el conducto llegara a llenarse de agua, loque indica que el aire interior del conducto se comprime.



FIGURA 13. Registro de loscaptores de presión 6 y 10

durante el ensayo 1.

FIGURA 12. Imagen toma de l vídeo durante el ensayo 1. Se aprecia elchorro del by-pass en los primeros instantes.

FIGURA 14. Imagen obtenida con la cámara sumergible. Muestra como eldesagüe no está en carga.

By-passapertura

By-passcierre

REGISTRO DE PRESIONESENSAYO 1

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

Pres

ión

(m.c

.a.)

Hora de inicio: 11:47 Tiempo (sg.)

C6: Aducción aire c. válvulas N°1 C10: Desagüe de fondo

S-30

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960


Además el en tubo de aducción de aire se llenó de agua al-canzando la columna una altura superior a 5 m.

En este ensayo el by-pass se cerró antes de que el aguasaliera despedida por la parte superior de la tubería.

En el gráfico de presiones se aprecia como tras el cierredel by-pass las presiones descienden paulatinamente. Elmodelo matemático realizado “ad-hoc” demuestra que laoscilación de presiones que muestra el registro de presio-nes se debe a una oscilación en masa.

El segundo ensayo se realizó con la cámara orientadahacia aguas abajo y muestra que en ningún momento delensayo la tubería llega a llenarse de agua.

En este ensayo se mantuvo el by-pass abierto hasta que seprodujo el vertido por la apertura superior del conducto de ai-reación, lo que causó la inundación de la cámara de válvulas.

La figura 17 muestra como una vez producido el vertidosuperior y cerrado el by-pass la presión en el interior del de-sagüe de fondo retorna rápidamente a la atmosférica.

La Figura 18 es un fotograma obtenido del video deltercer ensayo. Esta imagen explica por sí misma el fenó-meno. El penacho de agua generado tras el impacto delchorro del by-pass contra la solera del desagüe ocupa todala sección del conducto bloqueando el paso del aire haciala salida situada aguas arriba del penacho.

Tras la rotura del indicador de apertura, el dispositivode pérdida de carga perdió su efectividad y en consecuen-cia la velocidad del chorro resulta excesiva y el impactosobre la solera del conducto del desagüe permite al aguaremontar por el tablero de la compuerta Bureau cubriendola salida del aire. Comienza, entonces, a comprimirse elaire del interior del conducto, pues el único aire que puedeescapar es el que lleva atrapado el agua que empieza a as-cender por el conducto de aducción de aire.

La columna de agua en dicho conducto alcanza en supie la misma presión que la del aire confinado en el con-ducto del desagüe de fondo.

El incremento de presión en el conducto del desagüe defondo reduce la velocidad de salida del chorro del by-pass.Cuando la velocidad es suficientemente lenta, la cortina deagua no puede cubrir la salida de aire pero la entrada de airepor by-pass hace que la presión en el conducto siga creciendo.

El desajuste entre la presiones en el interior del desagüey en el pie de la columna es lo que permite al aire escapar.Éste aire experimenta un aumento de volumen en su ca-mino ascendente debido a la menor presión a que se encuen-tra sometida la burbuja, lo que hace que la fuerza ascensio-nal aumente y el aire experimente una aceleración que setrasmite al agua de la columna y hace que esta salga despe-dida por la parte superior del conducto de aireación.



FIGURA 15. Imágenes delprototipo en la que se aprecia

diferentes instantes dellanzamiento del agua.

FIGURA 16. Imagen obtenida con la cámara de video externa, muestra elestado de la cámara de válvulas nº1 instantes después del vaciado delagua del conducto de aducción de aire, que se evacua por la torre detomas y por el túnel que discurre sobre los conductos del desagüe de fondo.


5. MODELOS MATEMATICOSAnalizado el proceso se ha descompuesto en tres fases más sim-ples y se ha elaborado un modelo matemático para cada una.

a) El primer paso es analizar el la evolución de la presióndel aire en el interior del conducto del desagüe de fondomientras la salida del aire permanezca clausurada.

Son tres las ecuaciones que gobiernan la evolución de lapresión durante este período.

Donde: t, tiempo; p, presión absoluta del aire; p0, presióninicial; V, volumen de aire dentro del conducto,; V0, volumeninicial, Q, caudal entrante por el by-pass (abierto en una po-sición fija); γ, peso específico del agua; H, nivel del embalsereferido a la cota de salida del by-pass; K, constante de pér-didas de carga en el by-pass.

La ecuación tres (3) se plantea considerando que la emul-sión del agua en el aire estabiliza la temperatura del aire, loque permite asumir en el aire un proceso isotérmico.

Se ha despreciado (error < 0.5%) la perdida de carga delaire y agua en el interior del conducto de aireación mien-tras el taponamiento hidráulico de la salida del aire semantenga.

El sistema de ecuaciones (1), (2), (3) tiene solución analí-tica:

(4)

Las figuras 19 y 20 muestran un excelente ajuste entre elregistro del ensayo y la fórmula cuatro (4).

γ γ γ γH H pp

H H pp

ln− + − − −

γ γ γ γ γHp V

K tH H p

pH H p

p

3 2

0 0

0

0

0

0

/ln= + − + − −Q K H p dV

dtQ pV p V= −

=− =

γ

1 2

0 01 2 3/

( ) ( ) ( )



FIGURA 17. Evolución de laspresiones en el desagüe defondo y en el conducto deaducción de aire durante elensayo 2.

FIGURA 18. Imagen obtenidacon la cámara sumergible

durante el ensayo 3.Se visualiza el penacho de

agua que tapona la salida delagua por el conducto de

aducción de aire.

REGISTRO DE PRESIONESENSAYO 2

45

40

35

30

25

20

15

10

5

Pres

ión

(m.c

.a.)

Hora de inicio: 13:10 Tiempo (sg.)

C2: Aducción aire cota 215 C4: Aducción aire cota 190 . C6: Aducción aire c. válvulas N°1 C10: Desagüe de fondo

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720


b) En un segundo paso se analizó la evolución de la presióny del nivel del agua en el conducto de aducción de aire. Trasun corto tracto vertical, este conducto consta de un tramo ho-rizontal de unos 8 m. de longitud, seguido de un carrete verti-cal de 80 m. Mientras la salida del aire se encuentra taponadapor la cortina de agua, la ecuación del movimiento del fluidoque asciende por el este tubo se puede expresar como:

(5)

Donde: t, tiempo; h, altura alcanzada por la columna por lamezcal de agua y aire; ρ,γ, densidad y peso específico mediode la mezcla; L, longitud del tramo horizontal; r, ratio entrelas área de la secciones de los tramos vertical y horizontal;p, presión absoluta del agua en el conducto del desagüe (estedato es el resultado del paso anterior); p0, presión inicial; C,un parámetro que incluye el efecto de las pérdidas de cargalocales y localizadas. Los valores de ρ y γ se pueden deducirde la comparación entre los registros de presión del conductoa diferentes alturas. ρ γ( ). ( ) .h rL

d hdt

p p h Cd hd t

d hd t

+ = − − −2

2 0



FIGURA 19. Comparaciónentre curva teórica de

evolución de presiones en eldesagüe de fondo y el registro

obtenido en el captor 10durante el ensayo 1.

FIGURA 20. Comparaciónentre curva teórica deevolución de presiones en eldesagüe de fondo y el registroobtenido en el captor 10durante el ensayo 2.

Ensayo 1Comparación registro con ajuste teórico (k=0.0858)

Ensayo 2Comparación registro con ajuste teórico (k=0.0858)

1615.5

1514.5

1413.5

1312.5

1211.5

1110.5

109.5

98.5

8

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Pres

ión

en e

l des

agüe

de

fond

o(m

.c.a

.abs

)

Pres

ión

en e

l des

agüe

(m

.c.a

.abs

)

Tiempo (sg.)

Tiempo (sg.)

t=423.8 Pmax: 14.55 m.c.a.Volumen inicial agua: 0 m 3Volumen final agua: 296 m 3Cota agua: 150.237m.s.n.m.

T=647.95 sg. Pmax: 41.28 m.c.a. absVolumen agua inicial: 296,63 m3Volumen final de agua: 717.3 m3

Cota de la lámina de agua: 151.226

Registro del captor 10

Presión del aire en el desagüe

Registro Captor 10 m.c.a.

Presión en desagüe m.c.a.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850


Aplicando la ecuación cinco (5), con las adecuadas condi-ciones iniciales se obtienen el mismo tipo de de oscilacionesque las registras en prototipo. De la ecuación cinco (5) sepuede estimar (con poco error) el período de tales oscilacio-nes mediante:

(6)

c) El tercer modelo trata de analizar de un modo simplifi-cado lo que ocurre posteriormente, el lanzamiento del aguapor el conducto.

Para modelizar matemáticamente el proceso que conducea la erupción, el tiempo se discretiza en instantes t0, t1, t2,t3… con paso ∆t. De los modelos anteriores se pueden esti-mar los volúmenes de agua Wi, y de aire Ai, que entran mez-clados en el conducto de aireación. Se plantean dos hipótesisen este modelo matemático:

1ª) Que cuando el aire asciende a través del agua se ex-pande isotérmicamente,

2ª) Que la velocidad ascensional del aire ui(tj) a travésdel agua puede determinarse como una función de

Las ecuaciones empleadas para modelizar este proceso son:

(7)

(8)

(9)

(10)

Dónde pi (tj) es la presión en el momento tj del agua que entróen el instante ti, γw, es el peso específico del agua y hi (tj), es elnivel alcanzado por la parte inferior de este volumen de agua.

Si hi-1 (tj) es mayor que la altura del conducto entonces elagu verterá y Wi y Ai se verán reducidos en la adecuada pro-porción.

Para el uso de este modelo resulta escaso el conocimientode ui (tj), sin embargo en las hipótesis probadas se produceel lanzamiento del agua.

6. ENSAYO EN MODELO FÍSICOAunque los modelos matemáticos se ajustan excelentementecon los registros de prototipo, se ha querido ensayar el fenó-meno en modelo físico para estudiar las circunstancias queacompañan la creación y destrucción del cierre hidráulicodel conducto de aducción de aire, además de ensayar loscambios que permitan evitar este fenómeno en el futuro.

El modelo en semejanza de Froude se ha construido a es-cala 1/3. Reproduce fielmente el tablero de aguas debajo dela compuerta U.S. Bureau, la rejilla de la aducción de aire,la salida del by-pass existente y el tramo de conducto de de-sagüe de fondo en sección rectangular aguas arriba de la

transición a sección circular. Por razones prácticas no se hareproducido el desagüe de fondo en toda su longitud y parareproducir la evolución de la presión en el desagüe de fondose ha dispuesto un compresor de aire. Tampoco se ha repro-ducido el conducto del aire en su totalidad pues el análisisque se pretende realizar se centra en la zona de la descargadel by-pass donde se genera el tapón hidráulico.

Se aprecia en la figura 23 que cuando la velocidad del by-pass alcanza los 17 m/s. se forma una barrera de agua quees prácticamente impermeable al paso del aire del desagüe.

Una vez generado el tapón, la presión del aire hace as-cender la columna de agua por el conducto de aireaciónhasta que se produce la descarga superior.

h tW t A t

Si jl j l j

l i

j

( )( ) ( )

=+

= +

∑1

p tW tSi j

w l j

l

i

( ). ( )

==

−

∑γ

1

1

A t A tSu t tW A t

A tSu t tW A t

p tp ti j i j

i j

i i ji j

i j

i i j

i j

i j( ) ( )

( ) ( )( )

( )( ) ( )

( ).

( )( )+ +

+

+ +

+= −+

+

+1 11

1 1

11∆ ∆

W t W ti j i j( ) ( )+ =1

A tW t

i j

i j

( )( )

T

p pr L

g≈

− +2

0

π γ



FIGURA 21. Vista general del modelo se aprecia la entrada de aire delcompresor y el tubo de aducción de aire.

FIGURA 22. Modelo físico a escala 1/3. Vista lateral derecha.


FIGURA 23. Funcionamientodel by-pass con diferentesvelocidades (valores deprototipo).



V= 5 m/s V= 10 m/s

V= 15 m/s V= 17 m/s

FIGURA 24. Puesta en cargadel aire del desagüe y

ascensión de la mezcla deagua y aire por el conducto

de aducción, hasta que seproduce el lanzamiento delagua por la parte superior.


7. ESTUDIO DE ORIENTACIÓN DEL CHORROPara realizar el estudio previo se ha empleado la técnica SPH(Smoothed Particle Hydrodinamic) que discretiza el mediofluido en partículas de agua y permite estudiar el movimientodel agua de forma Lagrangiana, es decir, estudiando las varia-ciones de las propiedades del agua a lo largo de su trayectoria.El estudio se ha realiza en 2D por lo que los resultados quedandel lado de la seguridad al no considerarse la expansión lateralde los chorros tras el impacto con la solera del desagüe. La dis-cretización del medio fluido se ha realizado disponiendo unadistancia entre partículas de 2.5 cm. Por simplicidad se su-pone una apertura instantánea y total del by-pass.

El figura 25 muestra el funcionamiento actual del by-pass con una velocidad de salida del chorro a la atmósfera

de 18 m/s. Se aprecia como en el instante 1 s. el agua tras suimpacto contra la solera retorna hacia aguas arriba y as-ciende por el tablero de la compuerta Bureau, y como ya enel segundo 2 tras la apertura del by-pass se ha bloqueadocompletamente la salida.

La figura 26 muestra como con la inclinación dada se re-duce considerablemente el retorno, y no llega a bloquearsela salida del aire.

De acuerdo con esto con una ángulo de 30º el porcentajede caudal que retorna no puede taponar la aireación. Portanto se ha llevado esta solución al modelo físico. Para teneren cuenta sólo el efecto de la inclinación del chorro se ha dis-puesto un by-pass paralelo al original. Los ensayos mues-tran un funcionamiento óptimo de esta solución.



FIGURA 26. Modelo SPH.Funcionamiento del by-pass con30° de inclinación. Velocidaddel by-pass =18 m/s.

FIGURA 25. Modelo SPH.Funcionamiento del by-pass en

la solución inicial. Velocidaddel by-pass =18 m/s.

T = 0.5 s T = 1 s

T = 1.5 s T = 2 s

T = 2 s

T = 1 sT = 0.5 s

T = 1.5 s


6. CONCLUSIÓNLa acometida de los conductos de aireación de los desagües defondo suelen situarse cerca de los by-pass y pueden verse afec-tadas por el chorro. Esto ha ocurrido en la presa de la Viñuela,

produciéndose un sellado hidráulico de la salida del aire. En-tonces, el aire que ocupa el desagüe antes de su llenado, secomprime y simultáneamente una mezcla de agua y aire as-ciende por el conducto de aireación hasta que alcaza en su piela misma presión que reina en el interior del desagüe. El au-mento de presión reduce la velocidad del chorro del by-pass, yaunque la presión en el desagüe sigue aumentando, cuando lavelocidad es lo suficientemente pequeña como para que el ta-ponamiento hidráulico pierda efectividad, el aire del desagüecomienza a escapar. En su camino ascendente el aire experi-menta un incremento de volumen de modo que aumenta la ve-locidad ascensional, transmitiéndole al agua una aceleraciónque hace que la mezcla de aire y agua salga despedida con ve-locidad por la salida superior del conducto de aducción de aire,reduciéndose la presión en el desagüe de fondo. Si no se cierrael by-pass, ésta reducción de presión se traducirá en un au-mento de la velocidad del chorro, volviéndose a producir el ta-ponamiento y el posterior lanzamiento de agua.

Para evitar este tipo de problemas es necesario cuidar eldiseño de las estructuras de by-pass, distanciándolas de lasaireaciones, inclinado los chorros para minimizar los retor-nos y controlando las velocidades de salida.



FIGURA 27. Detalle de la salida del by-pass a 30º paralelo al inicial.

FIGURA 29. By-pass inclinado 30°funcionando con V= 22.5 m/s. de

prototipo.

FIGURA 28. Funcionamiento del by-passinclinado 30°. V= 17 m/s. deprototipo. Se aprecia el buenfuncionamiento.


problemas de evacuación de aire durante la maniobra de compensación de...

Documents